c试样的改进对辐照材料热性能的影响

c试样的改进对辐照材料热性能的影响

0作为辐照效应的rtndt在高温、高压和高辐射的条件下，核电站压力容器（epv）用于运行。这是压水核的一级设备，在压水核的使用寿命内没有更换部件。RPV采用低合金铁素体钢SA-508Gr.3Cl.1锻造筒体与封头及法兰通过主螺栓连接,在服役期间受中子辐照的影响,韧脆转变温度会逐渐升高,即在规定的工作温度下的材料断裂韧性逐渐下降,由韧性向脆性转变,在发生核反应堆失水事故(LOCA)及承压热冲击(PTS)时,含缺陷压力容器可能发生断裂破坏的灾难性事故。为了避免这类事故发生,20世纪60年代末至70年代初美国做了大量的核压力容器用钢A508-3及A533B辐照前及辐照后在不同温度下的断裂韧度试验,建立了按ASMEB&PVCodeⅢ卷NB-2331确定材料韧脆转变的参考无延性转变温度RTNDT的方法及ASMEⅪ卷附录A中的以RTNDT为参量的KIc下包络曲线:只要测得材料的参考温度RTNDT,即可获得材料在韧脆转变温度区不同温度T时的断裂韧性下限值。辐照前按NB-2331测得材料的初始RTNDT(u),辐照后材料的RTNDT会升高,可按美国联邦法规、核管会(NRC)RG1.99rev.2及辐照监督大纲的规定获得材料修正参考零塑性温度ART值,它是考虑了辐照效应而经修正后的参考无延性转变温度。所以,RPV制造材料在辐照前后的RTNDT值是核电站最重要的基础数据之一,是确定运行中材料的ART值、制定RPV压力—温度运行条件(P—T限值)、进行RPV缺陷分析评定(ASMEⅪIWB-3600)、承压热冲击评定、确定RPV最终寿命的基础。在最近20多年,国际上在基于概率统计的方法研究韧脆转变区的断裂韧性分布方面已经取得了丰硕的研究成果。其中,最著名的是以T0参量为参考温度的断裂韧性主曲线法(MasterCurve方法)。主曲线法直接测试材料弹塑性断裂韧性,只要获得6个以上的有效断裂韧性数据,按科学统计的方法处理便可测出材料的T0值,从而可知在韧脆转变区不同失效概率下随温度分布的断裂韧性数据。国际上大量研究证明主曲线法比ASME规范的由落锤试验和夏比冲击试验通过间接的方法确定参考温度RTNDT的KIc下包络曲线法更为科学。近年来,主曲线法及其测试标准ASTME1921已经逐渐被世界各国所接受,用T0取代RTNDT已成为必然趋势。由于历史原因,目前全世界已有的数百座核电站RPV大部分未能测得投产前后的参考温度T0值,但均保存有RTNDT数据,故而ASMEB&PV第Ⅲ卷及第Ⅺ卷不得不保留ASME原有的以RTNDT为参量的KIc下边界曲线,但以颁布的核规范案例CodeCaseN629及N631作为过渡,今年已被直接编入2013年版的ASMEB&PVCodeⅪ卷的附录G。早在5年前华东理工大学已关注ASTME1921标准的测试方法,采用国产16MnR钢进行试验来掌握这一测试技术。为了将这一技术应用于我国核电压力容器,上海核工程研究设计院提供了保存的某台国产压水堆压力容器堆芯区508-Ⅲ钢锻件延长段材料,与华东理工大学合作开展了国产RPV材料的主曲线参考温度T0试验研究。当时考虑到为了能用小试样测试T0,特别是采用三点弯预制疲劳裂纹的夏比尺寸试样(PCVN试样),同时方便对比和验证,所以试验选用了加载形式与PCVN试样一致的大尺寸深裂纹三点弯SE(B)试样。美国西屋公司已将采用非能动安全系统的第三代压水堆核电站AP1000技术转让我国,并负责在我国建造世界上首台AP1000核电站。西屋公司规定AP1000必须采用C(T)试样按ASTME1921测试参考温度T0。AP1000核电技术的规定为业主将来采用主曲线法取代ASME的KIc曲线法提供了可能性,用以确定RPV材料在辐照前后的断裂韧性韧脆转变曲线,进而拓展运行窗口。本研究探索采用0.5英寸厚的C(T)试样(下文简称0.5T-C(T)试样)对以前用SE(B)试样进行试验的相同国产508-Ⅲ锻件重新进行断裂韧性试验。目的是解决用C(T)试样测试T0的技术,为将来新建AP1000用RPV锻件的参考温度测试做准备;获取这台国产RPV的材料的T0值这一重要数据;通过比较同一RPV材料用C(T)试样及SE(B)试样测试参考温度T0的差异,研究试样类型对测试T0的影响,以深入理解ASTME1921标准中1.3和5.7条款的相关阐述。1用ct样品确定了508t0值1.15拉伸性能和夏比冲击转变曲线该508-Ⅲ锻件的参考无延性转变温度RTNDT的实测值为-20℃,化学成分、系列温度下的拉伸性能和夏比冲击转变曲线见文献中的试验结果。1.2模型建立与网格划分由于今后在热室中进行辐照监督试样的力学性能测试时,试样安置在喷淋液氮的环境箱中,需要操作机械手在狭小的空间里、在试样的刀口上装夹测量加载线位移(loadlinedisplacement,LLD)的夹式引伸计。引伸计的测量臂可能会与试样前端面发生干涉,导致装夹困难,因此,要求修改C(T)试样的设计。所以在图1(a)所示的标准设计基础上,在试样前端面上削去了一个坡口,见图1(b)。为了验证试样上的坡口尺寸设计是否合理,是否会影响断裂韧性试验的结果,文中将通过有限元模拟和试验进行分析。由于J积分可通过试验记录的载荷—位移曲线计算得到,若两试样的载荷—位移曲线没有差异,则表明图1(b)的设计对断裂韧性试验没有影响。使用ABAQUS有限元软件对图1中的0.5T-C(T)试样进行三维弹塑性有限元分析,材料本构为-81℃下508-Ⅲ锻件的真应力—真应变曲线。两种试样的有限元模型的网格划分尽量保持一致,以减少网格对计算结果的影响,仅在试样前端面上,受两种设计的几何形状不同的影响网格略有不同,如图2(a),(b)所示。两个模型的裂尖网格划分是完全一样的,见图2(c)。模拟的两试样的载荷—位移曲线几乎完全一致,如图3所示。有限元只能模拟随着外载荷的增大,试样的宏观载荷—位移曲线以及应力应变场,反映到J积分上,即模拟得到裂尖的驱动力,但不能得到材料的断裂韧性。实际试验时,每个试样的载荷—位移轨迹将基本沿着有限元模拟的曲线,与有限元模拟不同的只是:在韧脆转变区试样受载发生脆性断裂,断裂韧性高度分散,表现为在模拟的曲线上某个随机的位置载荷突降。因此,可以认为图1(b)的设计不会影响断裂韧性试验的结果。1.3断裂韧性数据的计算为了便于对比曾完成的0.5T-SE(B)试样的试验结果,选择相同的试验温度T=-81和-60℃,按ASTME1921-12进行0.5T-C(T)试样的断裂韧性试验。如表1所示,由开坡口C(T)试样测得的T0=-63℃,不开坡口C(T)试样确定的T0=-56℃。因为韧脆转变区的解理断裂韧性数据本质上是统计分散的,所以由此计算得到的K0,KJc(med)和T0都是与断裂韧性数据样本及样本大小N有关的统计量。即使单独用开坡口或不开坡口的C(T)试样,分两组各试验8个试样,得到的两个T0值也会存在一定的差异。按照ASTME1921附录4中所给出的T0置信区间的计算方法,7~8个试样测试T0值的85%置信区间为±9.2~±10.9℃。与T0的85%置信区间的大小相比,本文用开坡口与不开坡口的C(T)试样所测得的T0值相差7℃是合理的,与试样是否开有坡口无关。故将-81℃下的所有断裂韧性数据合为一组数据,计算得到T0=-57℃。-60℃下,仅有5个有效试验数据,无法获得有效的T0值。将全部15个断裂韧性数据按多温度法计算得到T0=-60℃。由于多温度法在计算T0过程中利用了不同温度下更多的断裂韧性数据,与单温度法相比,其绘制出的主曲线及分散带可以更好地描述韧脆转变温度区的断裂韧性数据分布,所以取T0值为-60℃,如图4所示,主曲线及95%,5%累积失效概率上下边界曲线很好地预测了KJc(1T)数据在韧脆转变区的分布。2材料t0的初步研究表2列出了前期采用0.5T-SE(B)测得的同批508-Ⅲ锻件的参考温度T0值。比较表1与表2可以发现,用0.5T-SE(B)试样测得的T0为-57~-62℃,用0.5T-C(T)试样测得T0约为-56~-63℃,基本一致,平均差仅1℃。2003年,ASTME1921标准的编制委员会为2003年修订版增加了新的1.3条款,指出使用SE(B)试样测试的T0值比用C(T)试样测得的T0值约低10℃,有时可达15℃,建议在所测试材料T0值的报告中应注明所采用的试样类型及尺寸,以便于拟用此数据评价该RPV剩余寿命及安全性的工作者在进行完整性评定时参考。文中的试验结果似乎与标准的阐述很不一致。为了解决这一问题,笔者力图找到标准有关条款的编制依据。ASTME1921的第1.3条款引用了WALLIN等,开展的采用大量不同材料、不同试样类型测试参考温度T0的对比试验研究。值得注意的是,1.3条款的阐述是基于上述的试验研究成果,综合考虑了统计、材料和试样尺寸三类因素的影响所给出的一般规律。但由于各因素相互耦合的复杂性,标准无法按试样尺寸给出两类试样T0值的差异。相关文献中报道的两种试样的T0试验值之差存在较大差异。为此,1.3条款还讨论了材料流变性能对计算T0的影响规律,并特别强调了统计样本大小对计算T0的重要性。ASTME1921标准给出了估算T0置信区间的公式,在6个有效试验数据的情况下,根据KJc(med)的大小,T0的85%置信区间约为±11~±12℃。在实际试验时,一些小样本所得出的T0值会落在这一置信区间以外,个别T0值之间的差异可能较大。以本文的数据为例,在试验温度范围内选取7个有效数据即可满足ASTME1921对有效断裂韧性数据数量的要求。对所测得的15个KJc数据按从小到大排序,假设一种极端的情况,即试验恰巧测得了最小、最大的7个KJc值,其结果如表3所示,两个T0值相差高达29℃。在估算T0的置信区间时,试验人员只能以单个小样本的T0估计值为中心算出对应的置信区间,也就是说基于7个KJc值,得出-39±10.9℃或-68±9.8℃两组差异很大的参考温度85%置信区间,而无法获知材料的真实T0值。但即便如此,主曲线法由于其科学性,仍远优于KIc下包络线法。最近,ASTME1921自2012年版起又专门新增了5.7条款,引用了更多学者的试验研究结果,着重指出小样本的C(T),SE(B)试样的T0值之差会呈现出异于一般规律的现象,甚至SE(B)试样确定的T0值会高于C(T)试样测得的T0值。以ASTME1921标准中所列的参考文献引用的编制组成员JOYCE和TREGONING的试验数据为例,0.5T-C(T)试样的4组T0值分布范围为-84.0~-57.8℃,0.5T-SE(B)试样的5组有效T0值分布范围为-101.7~-82.3℃。若单独比较这两种试样的个别T0值,最小仅相差1.7℃。综上所述,用两种试样测得的T0值分布如图5所示。在小样本的条件下,由于小样本所导致的T0估计值的不确定性,C(T)试样与SE(B)试样的T0值的置信区间存在一定程度的相互重叠,掩盖了两种试样的个别T0试验结果由于两类试样拘束度的不同所带来的差异。如图5所示,材料的T0值应为C(T)和SE(B)试样测得的T0值的均值。本研究用两种试样各15个试样测得T0值仅相差1℃左右,表明T0试验值落在了图4中两试样T0值分布的重叠区域,很接近材料的T0值。以上分析说明两种试样的试验结果可靠,与ASTME1921标准并不矛盾,而是再次印证了该标准中第1.3和5.7条款的阐述。3材料测试结果(1)为了方便装夹试样而专门修改了C(T)试样的前端面设计。有限元分析以及分别使用经过修改